Теплообменник 2 (стр. 2 из 4)

В итоге для данного процесса необходимо подобрать теплообменник типа ТНВ по ГОСТ 15122-79 и провести для него тепловой, гидравлический и конструктивно-механический расчёты.

[6, с.423- 434; 9, с.1044-1050]

Рис.1: Пример схемы теплообменного процесса.

1.1.Физико-химические свойства воды

Вода - оксид углерода – Н₂О, молекулярная масса – 18,016, простейшее устойчивое соединение водорода с кислородом. Жидкость без запаха, вкуса и цвета.

Изотопный состав. Существует 9 устойчивых изотопных разновидностей воды. Содержание их в пресной воде в среднем следующее (молекулярные %): ¹Н₂¹⁶О -99,73; ¹Н₂¹⁸О – 0,2; ¹Н₂¹⁷О – 0,04; ¹Н²Н¹⁶О – 0,03; остальные 5 изотопных разновидностей присутствуют в воде в ничтожных количествах. Кроме стабильных изотопных разновидностей, в воде содержится небольшое количество радиоактивного ³Н₂ (или Т₂О). изотопный состав природной воды разного происхождения несколько варьирует. Особенно непостоянно отношение ¹Н/²Н: в пресных водах – 6900, в морской воде – 5500, во льдах – 5500-9000.

Строение молекулы и физические свойства. Атомы водорода и кислорода в молекуле воды расположены в углах равнобедренного треугольника с длиной связи О-Н 0,0957 нм; валентный угол Н-О-Н 104,5⁰; дипольный момент 6,17*10^-30 Кл*м; поляризуемость молекулы 1,45*10^-3 нм³; средний квадрупольный момент – 1,87*10^-41 Кл*м², энергия ионизации 12,6 эВ, сродство к протону 7,1 эВ. При взаимодействии молекулы воды с другими атомами, молекулами и ионами, в том числе с другими молекулами воды в конденсирующих фазах, эти параметры изменяются.

Химические свойства. Лишь незначительная доля молекул (при 25⁰ С – 1 на 5*10⁹) подвергается электролитической диссоциации по схеме: Н₂О = Н⁺ + ОН ^-. Протон Н⁺ в водной среде, взаимодействуя с молекулами воды, образует Н₃О⁺, объединяющийся с 1 молекулой Н₂О в Н₅О⁺₂. Расстояние О…О в таких комплексах заметно короче длины нормальной водородной связи между нейтральными молекулами. Но поскольку протон находится не точно посередине этой укороченной связи, а ближе к одному из атомов О, можно считать, что в воде существует гидратированный ион оксония Н₃О^+.. Это явление играет большую роль в химических процессах, происходящих в различных системах, в том числе биологических. В частности, диссоциация воды – причина гидролиза солей слабых кислот и (или) оснований. Концентрация ионов Н⁺ и связанная с ней концентрация ионов ОН^- - важные характеристики водных растворов. Степень электролитической диссоциации воды заметно возрастает при повышении температуры.

Вода – реакционноспособное соединение. Она окисляется атомарным кислородом: Н₂О + О

Н₂О₂. При взаимодействии воды с F₂ образуется НF, а также О, О₂, О₃, Н₂О₂, F₂O и другие соединения. С остальными галогенами при низких температурах вода реагирует с образованием смеси кислот ННаl и ННаlО. При обычных условиях с водой взаимодействует до половины растворённого в ней Сl₂ и значительно меньшие количества Вr₂ и I₂. При повышенных температурах хлор и бром разлагают воду с образованием ННаl и

О₂. При пропускании паров воды через раскалённый уголь она разлагается и образуется так называемый водяной газ: Н₂О + С = СО + Н₂. При повышенной температуре в присутствии катализатора вода реагирует с СО, СН₄ и другими углеводородами, например: Н₂О + СО = СО₂ + Н₂ (cat. Fe); Н₂О + СН₄=СО + 3Н₂ (cat.Ni или Co). Эти реакции используют для промышленного получения Н₂. Фосфор при нагревании с водой под давлением в присутствии

cat. окисляется в метафосфорную кислоту: 6Н₂О + 3Р

2НРО₃ + 5Н₂. Вода взаимодействует со многими металлами с образованием Н₂ и соответствующего гидроксида. Со щелочными и щелочно-земельными металлами (кроме Мg) эта реакция протекает уже при комнатной температуре. Менее активные металлами разлагают воду при повышенной температуре , например, Мg и Zn – выше 100⁰ С, Fe – выше 600⁰С (2Fe + 3H₂O Fe₂O₃ + 3H₂). При взаимодействии с водой многих оксидов образуются кислоты или основания. Вода может служить cat., например, щелочные металлы и водород реагируют с хлором только в присутствии следов воды. Иногда вода – каталитический яд (для железного cat. при синтезе NH₃).

Техническая вода. Воду, расходуемую промышленными предприятиями, принято называть технической. Её применяют главным образом в качестве охлаждающего агента, транспортирующей среды для сыпучих материалов, растворителя. В целом по всем отраслям промышленности 70-75% от общего расхода воды применяют как хладагент по циркуляционной схеме. В этом случае вода лишь нагревается и практически не загрязняется. Главные источники загрязнения охлаждающей воды – вода, добавляемая в системы для восполнения неизбежных потерь, и атмосферный воздух, из которого вымываются в охладителях воды взвешенные вещества и газы, растворимые в воде.

Основными ионами, которые могут приводить к отложениям минеральных солей в системах, являются анионы НСО^-₃, СО^2-₃, ОН^-, SO^2-₄, РО^3-₄, SiO^2-₃, а также катионы Са²⁺, Мg²⁺, Fe^2+*3+, Аl³⁺, Zn²⁺. Наиболее часто встречающийся компонент солевых отложений – СаСО₃. Предотвратить отложение карбонатов можно подкислением воды Н₂SO₄ или НСl, её рекарбонизацией (обычно обработка топочными газами, содержащими СО₂), действием полифосфатов (NaPO₃)₆ и Na₅P₃O₁₀, органических фосфатов. Для предотвращения (уменьшения) коррозии труб и теплообменного оборудования в воду лобавляют ингибиторы коррозии: полифосфаты, ингибиторы на основе хромато-цинковых смесей. Для предупреждения обрастания оборудования бактериями воды в основном хлорируют (содержание Сl₂ до 5 мл/л.), а иногда озонируют.

[8, с.763-769]

1.2.Физико-химические свойства этилового спирта

Этиловый спирт (этанол) С₈Н₆О - бесцветная жидкость со своебразным запахом, легче воды Р=0,8г/см , кипит при t=78,3⁰С, хорошо растворяется в воде и сам является растворителем многих неорганических и органических веществ. Зная молекулярную формулу спирта и валентность элементов, можно представить его строение в виде двух структурных формул:

Н Н Н Н

Н-С-О-С-Н (1) Н-С-С-О-Н (2)

Н Н Н Н

Сопоставляя формулы, можно заметить, что если справидлива первая из них, то в молекуле спирта все атомы водорода

соединены с молекулами углерода , и можно предполагать,

что они одинаковы по свойствам . Если же истинна вторая

формула , то один атом водорода в молекуле соединён с атомом

углерода через кислород и он, по-видимому, будет отличаться

от других водородных атомов. Можно проверить

опытом, одинаковы или различны по свойствам атомы в спирте.

Помещают в пробирку со спиртом (не содержащий воды)

кусочек натрия. Начинается реакция, сопровождающаяся выделением газа. Нетрудно установить, что это водород. При

помощи другого, более сложного опыта можно определить,

сколько атомов водорода выделяется при реакции из каждой

молекулы спирта. В колбу с мелкими кусочками натрия

приливается по каплям из воронки определённое количество спирта. Выделяющийся из спирта водород вытесняет воду из двугорлой склянки в цилиндр. Обьём вытесненной воды в цилиндре

соответствует обьёму выделившегося водорода.Опыт показывает, что из 0,1 моль спирта удаётся получить 1,12л. водорода. Это означает, что из 1 моль спирта натрий вытесняет 1,12л., т.е.

0,5 моль водорода. Иначе говоря, из каждой молекулы спирта натрием вытесняется только один атом водорода. Формула (1) не даёт обьяснения такому факту. Согласно этой формуле все атомы водорода равноценны. Наоборот, формула (2) отражает наличие одного атома, находящегося в особом положении: он соединён с атомом углерода через кислород; можно заключать, что именно этот атом водорода связан менее прочно. Он и вытесняется натрием. Следовательно,

вторая из приведённых формул и будет структурной формулой этилого спирта. Чтобы подчеркнуть, что в молекуле спирта содержится гидроксильная группа-ОН, соединённая с углеводородным радикалом, молекулярную формулу этилового спирта часто пишут так:

СН₃-СН₂-ОН или С2 Н5ОН

Очивидно, здесь снова встречается влияние атомов друг

на друга. Чтобы понять сущность этого влияния, надо вернуться к электронному строению молекулы. Характер связей С-СuC-Н известен – это ковалентные q –связи. Атом О₂ образует с атомом “H” и с углеводородным радикалом такие же связи, при этом его наружный электронный слой дополняется до октета.